1.7. Нелинейные искажения

Н елинейные искажения сигнала проявляются в виде искажения его формы, что в свою очередь, приводит к появлению в спектре выходного сигнала паразитных гармонических составляющих. Не­линейные искажения усилителя обусловлены нелинейностью как входных, так и выходных статических характеристик транзисторов. При выборе режима работы транзисторов часто приходится нахо­дить компромиссное решение между желанием максимально ис­пользовать его усилительные свойства и необходимостью получения минимальных нелинейных искажений сигнала. Этот компромисс разрешается путем выбора оптимального соотношения между внут­ренним сопротивлением источника сигнала R_г и входным сопротив­лением усилительного каскада.

Если обеспечить возбуждение усилителя в режиме источника напряжения, т.е. R_г<< R_вх.к, то при синусоидальном напряжении u_бэ (кривая 1 на Рис. 19.) за счет нелинейности входной характеристики форма коллекторного тока существенно искажается (I’_к > I”_к).

Е

Рис. 19.

сли R_г >> R_вх.к (режим источника тока), то при возбуждении усилителя синусоидальным током i_б (кривая 2 на Рис. 19.) нелинейность входной характеристи­ки мало влияет на форму кол­лекторного тока. Однако при уменьшении R_вх.к возрастает мощность, отбираемая от источ­ника сигнала. Поэтому R_г обыч­но выбирают из соотношения

. (85)

К

Рис. 20.

оличественная оценка ко­эффициента нелинейных иска­жений производится с помощью сквозной динамической характе­ристики, которая представляет собой зависимость выходного тока от напряжения источника входного сигнала i_к = f(u_вх) (рис. 20.). Для ее построения используют точки пересечения ЛН^~ с типовыми выходными характеристиками транзистора (см. раздел 1.2.1). Если таких точек меньше пяти, то недостающие характеристики следует достроить используя ме­тод линейной интерполяции. В полученных точках определяют значения токов коллектора (I_к.min, I_к1, I_кп, I_к2, I_к.max) и соответствующие им значения тока базы (I_б.min, I_б1, I_бп, I_б2, I_б.max). Затем пе­реносят значения тока базы на семейство входных характеристик и определяют соответствующие напряжения (U_бэ.min, U_бэ1, U_бэп, U_бэ2, U_бэ.max). Величина U_вх.к для однотактной схемы ОЭ определяется выражением

, (86)

с помощью которого вычисляют недостающие координаты U_вх.min, U_вх1, U_вхп, U_вх2, U_вх.max и строят график.

Известно, что в однотактном каскаде при симметричном вход­ном сигнале нелинейные искажения создает вторая гармоника (ам­плитуды остальных малы). В этом случае коэффициент нелиней­ных искажений определяется отношением амплитуд второй и первой гармоник коллекторного тока.

. (87)

Методы гармонического анализа позволяют вычислить К_г с по­мощью геометрических построений. Определив по сквозной харак­теристике значения токов I'_кА и I"_кА, соответствующие амплитуд­ным значениям положительной и отрицательной полуволны вход­ного напряжения, вычисляют коэффициент гармоник

, (88)

Н елинейные искажения в двухтактном каскаде оценивают по третьей гармонике выходного тока, поскольку при хорошей сим­метрии схемы можно считать, что четные гармоники в выходном сигнале отсутствуют.

. (89)

К

Рис.21.

оличественная оценка нели­нейных искажений в двухтактном каскаде производится также, как и в однотактном - методом пяти ор­динат. Необходимую для этого сквозную динамическую характе­ристику (рис. 21.) строят для од­ного плеча по методике, изложен­ной выше. Для гармонического анализа двухтактных каскадов обычно используют два входных сигнала с амплитудами U_вхА и 0,5U_вхА. Определив по сквозной характеристике для этих сигналов значения токов I_к1 и I_к2 коэффициент гармоник вычисляют по формуле

, (90)

В реальных условиях, как правило, не удается обеспечить пол­ную симметрию схемы, т.е. в режиме покоя ток эмиттера транзи­стора, включенного в одно плечо схемы, может отличаться от эмиттерного тока другого транзистора в (1 +ν) раз. Следствием этого является наличие в выходном сигнале нелинейных искажений по второй гармонике. Их величину оценивают по формуле

, (91)

где ν=0,02...0,06 .

В этом случае полный коэффициент гармоник

. (92)

Практически в мощных усилительных каскадах нелинейные ис­кажения могут достигать 10...20%. Снижения их уровня до требуе­мых значений можно добиться только применением глубокой общей ООС. При этом коэффициент гармоник вычисляют по формуле

, (93)

где F - глубина обратной связи.